Linux系统编程---6(信号的机制,信号4要素,Linu常规信号表,定时器)

信号的概念

信号在我们的生活中随处可见, 如:古代战争中摔杯为号;现代战争中的信号弹;体育比赛中使用的信号枪… 他们都有共性:

  1. 简单
  2. 不能携带大量信息,只能带一个标志。
  3. 满足某个特设条件才发送。
    Unix 早期版本就提供了信号机制,但不可靠,信号可能丢失。Berkeley 和 AT&T 都对信号模型做了更改,增加 了可靠信号机制。但彼此不兼容。POSIX.1 对可靠信号例程进行了标准化。

信号的机制

A 给 B 发送信号,B 收到信号之前执行自己的代码,收到信号后,不管执行到程序的什么位置,都要暂停运行, 去处理信号,处理完毕再继续执行。与硬件中断类似——异步模式。但信号是软件层面上实现的中断,早期常被称 为“软中断”。

信号的特质

由于信号是通过软件方法实现,其实现手段导致信号有很强的延时性。但对于用户来说,这个延 迟时间非常短,不易察觉。

每个进程收到的所有信号,都是由内核负责发送的,内核处理。

与信号相关的事件和状态

产生信号:

  1. 按键产生,如:Ctrl+c(死循环终止)、Ctrl+z、Ctrl+\
  2. 系统调用产生,如:kill、raise、abort
  3. 软件条件产生,如:定时器 alarm
  4. 硬件异常产生,如:非法访问内存(段错误)、除 0(浮点数例外)、内存对齐出错(总线错误)
  5. 命令产生,如:kill 命令

递达:

递送并且到达进程。产生到递达是瞬时的

未决:

产生和递达之间的状态。主要由于阻塞(屏蔽)导致该状态。

信号的处理方式:

  1. 执行默认动作
  2. . 忽略(丢弃)
  3. 捕捉(调用户处理函数) (不让它执行默认动作)
    Linux 内核的进程控制块 PCB 是一个结构体,task_struct, 除了包含进程 id,状态,工作目录,用户 id,组 id, 文件描述符表,还包含了信号相关的信息,主要指阻塞信号集和未决信号集。

阻塞信号集(信号屏蔽字):

描述信号屏蔽状态,将某些信号加入集合,对他们设置屏蔽,当屏蔽 x 信号后,再收到该信号,该信号 的处理将推后(解除屏蔽后) 阻塞信号集影响未决信号集。

未决信号集:

没有处理掉

  1. 信号产生,未决信号集中描述该信号的位立刻翻转为 1,表信号处于未决状态。当信号被处理对应位翻 转回为 0。这一时刻往往非常短暂。
  2. 信号产生后由于某些原因(主要是阻塞)不能抵达。这类信号的集合称之为未决信号集。在屏蔽解除前, 信号一直处于未决状态。

信号的编号

可以使用 kill–l 命令查看当前系统可使用的信号有哪些。
在这里插入图片描述
不存在编号为 0 的信号。其中 1-31 号信号称之为常规信号(也叫普通信号或标准信号),34-64 称之为实时信 号,驱动编程与硬件相关。名字上区别不大。而前 32 个名字各不相同。

信号 4 要素

与变量三要素类似的,每个信号也有其必备 4 要素,分别是:

  1. 编号
  2. 名称
  3. 事件
  4. 默认处理动作
    可通过 man7signal 查看帮助文档获取。也可查看/usr/src/linux-headers-3.16.0-30/arch/s390/include/uapi/asm/signal.h

在这里插入图片描述
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在标准信号中,有一些信号是有三个“Value” ,第一个值通常对 alpha 和 sparc 架构有效,中间值针对 x86、arm 和其他架构,最后一个应用于 mips 架构。一个‘-’表示在对应架构上尚未定义该信号。
不同的操作系统定义了不同的系统信号。因此有些信号出现在 Unix 系统内,也出现在 Linux 中,而有的信号出 现在 FreeBSD 或 MacOS 中却没有出现在 Linux 下。这里我们只研究 Linux 系统中的信号。

默认动作:

  1. Term:终止进程
  2. Ign: 忽略信号 (默认即时对该种信号忽略操作)
  3. Core:终止进程,生成 Core 文件。(查验进程死亡原因, 用于 gdb 调试)
  4. Stop:停止(暂停)进程
  5. Cont:继续运行进程
    注意从 man7signal 帮助文档中可看到 :The signals SIGKILL and SIGSTOP cannot be caught, blocked , orignored.
    这里特别强调了 9)SIGKILL 和 19)SIGSTOP 信号,不允许忽略和捕捉,只能执行默认动作。甚至不能将其设置为 阻塞。
    另外需清楚,只有每个信号所对应的事件发生了,该信号才会被递送(但不一定递达),不应乱发信号! !

Linux 常规信号一览表

  1. IGHUP: 当用户退出 shell 时,由该 shell 启动的所有进程将收到这个信号,默认动作为终止进程
  2. SIGINT:当用户按下了<Ctrl+C>组合键时,用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出此信号。默认动 作为终止进程。
  3. SIGQUIT:当用户按下<ctrl+>组合键时产生该信号,用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发出些信 号。默认动作为终止进程。
  4. SIGILL:CPU 检测到某进程执行了非法指令。默认动作为终止进程并产生 core 文件
  5. SIGTRAP:该信号由断点指令或其他 trap 指令产生。默认动作为终止里程 并产生 core 文件。
  6. SIGABRT: 调用 abort 函数时产生该信号。默认动作为终止进程并产生 core 文件。
  7. SIGBUS:非法访问内存地址,包括内存对齐出错,默认动作为终止进程并产生 core 文件。
  8. SIGFPE:在发生致命的运算错误时发出。不仅包括浮点运算错误,还包括溢出及除数为 0 等所有的算法错误。 默认动作为终止进程并产生 core 文件。
  9. SIGKILL:无条件终止进程。本信号不能被忽略,处理和阻塞。默认动作为终止进程。它向系统管理员提供了 可以杀死任何进程的方法。
  10. SIGUSE1:用户定义 的信号。即程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
  11. SIGSEGV:指示进程进行了无效内存访问。默认动作为终止进程并产生 core 文件。
  12. SIGUSR2:另外一个用户自定义信号,程序员可以在程序中定义并使用该信号。默认动作为终止进程。
  13. SIGPIPE:Brokenpipe 向一个没有读端的管道写数据。默认动作为终止进程。
  14. SIGALRM: 定时器超时,超时的时间 由系统调用 alarm 设置。默认动作为终止进程。
  15. SIGTERM:程序结束信号,与 SIGKILL 不同的是,该信号可以被阻塞和终止。通常用来要示程序正常退出。 执行 shell 命令 Kill 时,缺省产生这个信号。默认动作为终止进程
  16. SIGSTKFLT:Linux 早期版本出现的信号,现仍保留向后兼容。默认动作为终止进程。
  17. SIGCHLD:子进程结束时,父进程会收到这个信号。默认动作为忽略这个信号。
  18. SIGCONT:如果进程已停止,则使其继续运行。默认动作为继续/忽略。
  19. SIGSTOP:停止进程的执行。信号不能被忽略,处理和阻塞。默认动作为暂停进程。
  20. SIGTSTP:停止终端交互进程的运行。按下<ctrl+z>组合键时发出这个信号。默认动作为暂停进程。
  21. SIGTTIN:后台进程读终端控制台。默认动作为暂停进程。
  22. SIGTTOU: 该信号类似于 SIGTTIN,在后台进程要向终端输出数据时发生。默认动作为暂停进程。
  23. SIGURG:套接字上有紧急数据时,向当前正在运行的进程发出些信号,报告有紧急数据到达。如网络带外 数据到达,默认动作为忽略该信号。
  24. SIGXCPU:进程执行时间超过了分配给该进程的 CPU 时间 ,系统产生该信号并发送给该进程。默认动作为 终止进程。
  25. SIGXFSZ:超过文件的最大长度设置。默认动作为终止进程。
  26. SIGVTALRM:虚拟时钟超时时产生该信号。类似于 SIGALRM,但是该信号只计算该进程占用 CPU 的使用时 间。默认动作为终止进程。
  27. SGIPROF:类似于 SIGVTALRM,它不公包括该进程占用 CPU 时间还包括执行系统调用时间。默认动作为终止 进程。
  28. SIGWINCH:窗口变化大小时发出。默认动作为忽略该信号。
  29. SIGIO:此信号向进程指示发出了一个异步 IO 事件。默认动作为忽略。
  30. SIGPWR:关机。默认动作为终止进程。
  31. SIGSYS:无效的系统调用。默认动作为终止进程并产生 core 文件。
  32. (34)SIGRTMIN ~ (64)SIGRTMAX:LINUX 的实时信号,它们没有固定的含义(可以由用户自定义)。所有的实时 信号的默认动作都为终止进程。

信号的产生

终端按键产生信号

  1. Ctrl+c → 2)SIGINT(终止/中断) “INT”----Interrupt
  2. Ctrl+z → 20)SIGTSTP(暂停/停止) “T”----Terminal 终端。
  3. Ctrl+\ → 3)SIGQUIT(退出)

硬件异常产生信号

  1. 除 0 操作 → 8)SIGFPE(浮点数例外) “F”-----float 浮点数。
  2. 非法访问内存 → 11)SIGSEGV(段错误)
  3. 总线错误 → 7)SIGBUS

kill 函数/命令产生信号

kill 命令产生信号:kill-SIGKILL pid
kill 函数:给指定进程发送指定信号(不一定杀死)
int kill (pid_tpid,int sig); 成功:0;失败:-1(ID 非法,信号非法,普通用户杀 init 进程等权级问题),设置 errno sig:不推荐直接使用数字,应使用宏名,因为不同操作系统信号编号可能不同,但名称一致。

  1. pid>0: 发送信号给指定的进程。
  2. pid=0: 发送信号给 与 调用 kill 函数进程属于同一进程组的所有进程。
  3. pid<0: 取|pid|发给对应进程组。
  4. pid=-1:发送给进程有权限发送的系统中所有进程。
循环创建 5 个子进程,杀死第三个进程
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<signal.h>/** 循环创建 5 个子进程                                                             */#define N  5
int main()
{int i;pid_t pid,q;for(i=0;i<N;i++){pid = fork();if(pid == 0)break;if(i==2)q=pid;}if(i<5){while(1){printf("I am child %d,getpid= %d\n",i,getpid());sleep(1);}   }else{sleep(1);kill(q,SIGKILL);while(1);}   return 0;
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
杀死第一个cat,后面的都被杀死,因为第一个cat是管道的写端,如果第一个cat被杀,也就没有写入,所以后面的cat也就读不到数据

进程组

:每个进程都属于一个进程组,进程组是一个或多个进程集合,他们相互关联,共同完成一个实体任务, 每个进程组都有一个进程组长,默认进程组 ID 与进程组长 ID 相同。

权限保护

super 用户(root)可以发送信号给任意用户,普通用户是不能向系统用户发送信号的。 kill-9(root 用 户的 pid) 是不可以的。同样,普通用户也不能向其他普通用户发送信号,终止其进程。 只能向自己创建的进程发 送信号。普通用户基本规则是:发送者实际或有效用户 ID== 接收者实际或有效用户 ID

raise 和 abort 函数

raise 函数:给当前进程发送指定信号(自己给自己发) raise(signo)==kill(getpid(),signo); int raise(int sig); 成功:0,失败非 0 值
abort 函数:给自己发送异常终止信号 6)SIGABRT 信号,终止并产生 core 文件 void abort(void); 该函数无返回

软件条件产生信号

alarm 函数

设置定时器(闹钟)。在指定 seconds 后,内核会给当前进程发送 14)SIGALRM 信号。进程收到该信号,默认动 作终止。
每个进程都有且只有唯一个定时器。
unsigned int alarm (unsigned int seconds); 返回 0 或剩余的秒数,无失败。
常用:取消定时器 alarm(0),返回旧闹钟余下秒数。 例:alarm(5) → 3sec → alarm(4) → 5sec → alarm(5) → alarm(0) (取消闹钟)
定时,自然定时法,与进程状态无关(自然定时法)!就绪、运行、挂起(阻塞、暂停)、终止、僵尸…无论进程处于何种状态, alarm 都计时。

编写程序,测试你使用的计算机 1 秒钟能数多少个数。
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main()
{int i;alarm(1);//1s后发信号for(i=0;;i++) //死循环看在闹钟的1s时间内跑多少下                               printf("%d\n",i);return 0;
}

使用 time 命令查看程序执行的时间
在这里插入图片描述
实际执行时间 = 系统时间 + 用户时间 + 等待时间(文件I/O消耗很大)

setitimer 函数

设置定时器(闹钟)。 可代替 alarm 函数。精度微秒 us,可以实现周期定时。

struct itimerval {struct timeval it_interval; /* next value */struct timeval it_value;    /* current value */};struct timeval {time_t      tv_sec;         /* seconds */suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */};

int setitimer (int which,const struct itimerval * new_value, struct itimerval *old_value); 成功:0;失败:-1,设置 errno

参数:

which:指定定时方式

  1. 自然定时:ITIMER_REAL → 14)SIGLARM 计算自然时间
  2. 虚拟空间计时(用户空间):ITIMER_VIRTUAL → 26)SIGVTALRM 只计算进程占用 cpu 的时间
  3. 运行时计时(用户+内核):ITIMER_PROF → 27)SIGPROF 计算占用 cpu 及执行系统调用的时间
使用 setitimer 函数实现 alarm 函数,计算1是内计算机计算次数
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/time.h>                                                               /*
struct itimerval{struct timeval{it_value.tv_sec;it_value.tv_usec;}it_value;struct timeval{it_value.tv_sec;it_value.tv_usec;}it_interval;}it,oldit;
*/unsigned int my_alarm(unsigned int sec)
{struct itimerval it, oldit;int ret;it.it_value.tv_sec=sec;it.it_value.tv_usec=0;it.it_interval.tv_sec=0;it.it_interval.tv_usec=0;ret= setitimer(ITIMER_REAL,&it,&oldit);if(ret == -1){perror("setitimer");exit(1);}   return oldit.it_value.tv_sec;
}int main()
{int i;my_alarm(1); //alarm(sec)for(i=0;;i++)printf("%d\n",i);return 0;
}      
结合 manpage 编写程序,测试 it_interval、it_value 这两个参数的作用。

void (*signal (int signum,void ( *sighandler_t)(int)))(int);

#include<stdio.h>
#include<sys/time.h>
#include<signal.h>void myfunc(int signo)
{printf("hello world\n");
}int main(void)
{struct itimerval it,oldit;signal(SIGALRM,myfunc); //注册SIGALRM信号的捕捉处理函数//sighandler_t tml=signal(SIGALRM,myfunc);it.it_value.tv_sec=5;//定时5秒中it.it_value.tv_usec=0;//0微秒it.it_interval.tv_sec=3;//第一个和第二个之间间隔时间3秒it.it_interval.tv_usec=0;if(setitimer(ITIMER_REAL,&it,&oldit) == -1){perror("setitimer error");return -1; }   while(1);return 0;
}

在这里插入图片描述

注意

  1. it_inter :用来设定两次定时任务之间间隔的时间。
  2. it_value:定时的时长 两个参数都设置为 0,即清 0 操作。

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